CC BY
43
Dorofeev Genrikh Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, imsk@ Hst.ru, Russia, Tula, LLC «NPMP Intermet-Service»,
Parshin Valeriy Mihajlovich, doctor of technical sciences, director, par-shinvm@,gmail. com, Russia, Moscow, State Scientific Center of the Russian Federation Federal State Unitary Enterprise (FSUE) I.P. Bardin Central Research Institute for Ferrous Metallurgy
УДК 621.745.4
АНАЛИЗ ПОВЕДЕНИЯ УГЛЕРОДА В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ
ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫХ БРИКЕТОВ СИНТИКОМА
Г.А. Дорофеев, П.Р. Янтовский, Я.М. Степанов
Показано, что использование в электропечах брикетов синтикома на основе ¥е-О-С вносит принципиальные изменения в главную реакцию сталеварения - окисление углерода, а также в получение из высокоуглеродистых брикетов синтикома в печи высокоэффективного науглероживателя в виде железоуглеродистого расплава нового типа.
Ключевые слова: углерод, электроплавка, брикеты, синтиком, науглерожива-тель, карботермическое восстановление.
Введение в шихтовку электродуговых печей брикетов синтикома на основе элементов Бе - О - С вносит существенные изменения в главную реакцию сталеварения - окисление углерода. Суть их заключается в создании нового фронта взаимодействия углерода и конденсированного кислорода, представленного оксидами железа, который содержит брикеты синтикома. Данный фронт служит одновременно зоной получения железа прямого восстановления и образования в печи значительного количества монооксида углерода, являющегося потенциальным энергоносителем в случае его дожигания до СО2. Помимо отмеченных явлений, одним из важных следствий эффекта применения брикетов синтикома на оксидо-угольной основе является науглероживание ванны и дополнительное развитие процесса обезуглероживания. Это сопровождается, в свою очередь, выделением СО, интенсивным кипением и перемешиванием ванны, ускоренным нагревом металла и его рафинированием, более быстрым шлакообразованием и другими позитивными эффектами. Кроме того, интенсивное образование СО и его более раннее выделение внутри слоя холодной шихты, начинающееся сразу с момента загрузки брикетов синтикома, существенно улучшает условия дожигания СО до СО2 и повышает степень усвоения этого тепла благодаря совмещению зон образования СО, его дожигания и передачи тепла.
Изложенное выше представляет собой результат многочисленных исследований, выполненных 10 - 20 лет назад российскими исследователями и существенно опередивших соответствующие работы за рубежом. Среди этих иссдеователей особо следует выделить труды Г.Н. Еланского, В.П. Цымбала, А.В. Павлова.
Использованные в опытной серии плавок брикеты на основе окалины и коксовой мелочи отличались весьма высоким содержанием наугле-роживателя порядка 30 % и по этому параметру не имеют прецедентов. Наличие в составе брикетов столь значительного количества углеродного компонента придало этим материалам в дополнение к их обычным свойствам качество высокоэффективного науглероживателя нового типа, отличающегося от известных жидкофазным состоянием и особо высокой концентрацией углерода в науглероженном железе.
Общее количество брикетов синтикома в опытной серии плавок составило 112 т, или 7,47 т в среднем на плавку. Из общего расхода брикетов на долю коксика приходилось 33,6 т, или 2240 кг на каждую плавку. С этим количеством коксика в ДСП за всю серию опытных плавок поступило 27,89 т углерода, или в среднем 1859,33 кг углерода на плавку.
Восстановление оксидов железа синтикома данного состава в виде Бе203 и БеО при суммарной доле их 60 % требует ориентировочно расхода 100 кг углерода на 1 т материала, или 238,1 кг на 1 тонну полученного железа. Общая потребность на полное восстановление всех окислов железа, имеющихся в 112 т брикетов, составляет
100 х 112 = 12000 кг = 11,2 т, или 746,67 кг углерода в среднем
на плавку.
Избыток углерода, оставшийся неизрасходованным на карботерми-ческое восстановление, будет равен
27,89 - 11,20 = 16,69 т, или 16690 кг.
Это количество углерода вносится в электропечь и идёт на дополнительное науглероживание образующегося железа прямого восстановления и в конечном счете науглероживание металлической ванны. В расчёте на одну плавку вносится 1112,67 кг дополнительного науглероживателя в виде углерода. Этому соответствует содержание углерода в восстановленном железе, равное (10,99/44,8)*100=37,25 %. Столь высокое содержание углерода в железе не имеет прецедента и будет рассмотрено далее. Наличие дополнительного количества науглероживателя данного типа, причем в жидком состоянии, является одной из главных особенностей опытных плавок.
Ввод брикетов в шихтовку опытных плавок существенно изменяет исходное содержание углерода в шихте. Металлическая шихта опытных плавок включает в себя лом и чугун в количестве соответственно 2368,7 и 225,4 т при общей их массе 2594,1 т. Принимая концентрацию углерода в
73
этих материалах, равной 0,3 и 4, 5 %, или 3 и 45 кг/т соответственно, определим общее содержание углерода в металлической части шихты опытных плавок:
2368,7 х 3 + 225,4 х 45 = 7106,0 + 10143,0 = 17249 кг, или 17,25 т.
На одну плавку приходится 1150 кг углерода. Среднее содержание углерода в исходной шихте при этом составит
17,25 / 2594,1 х100 =0,665 %.
В процессе плавки весь этот углерод окисляется, удаляясь из металла.
Использование брикетов синтикома кардинально увеличивает содержание углерода в шихте. С учётом наличия в материале 27,89 т углерода суммарное количество углерода достигнет значения
17,25 + 27,89 = 45,14 т, или 3009,3 кг на плавку.
Следовательно, при работе ДСП с использованием брикетов общее количество углерода в шихте возрастает с 17,25 до 45,14 т, или в 2,62 раза. При этом общая концентрация углерода в шихте, вносимого металлической шихтой и брикетами синтикома, будет равна
(45,14 х 100) / 2594.1 = 1,74 %.
Это значение существенно больше концентрации углерода в шихте, создаваемой металлической шихтой и равной 0,665 %. В среднем на плавку содержание углерода увеличивается с 1150 до 3009,3 кг. Принимая во внимание расходование части углерода брикетов синтикома на восстановление в количестве 11,2 т, не участвующего в выплавке стали, количество углерода, поступающего в ДСП, несколько снижается и становится равным
(17,25 + 27,89 - 11,2) = 33,94 т, или 2262,67 кг в среднем на плавку.
Применительно к этому содержание углерода в шихте опытных плавок с учётом расходования части углерода на восстановление будет равно
(33,94 х 100) / 2594,1 = 1,36 %.
Это несколько меньше исходного содержания углерода в шихте, составляющего 1,74 %, но достаточно велико - превышается практически вдвое этот показатель на сравнительных плавках.
Для сравнительных плавок при массе исходной металлической шихты 2621,0 т и доле лома и чугуна соответственно 2327,3 и 293,7 т содержание углерода в шихте будет равно
2327,3 х 3 + 293,7 х 45 = 6981,9 + 13216,5 = 20198,4 кг, или 20,20 т.
На одну сравнительную плавку при этом приходится 1346,67 кг углерода. Соответственно концентрация углерода в шихте сравнительных плавок составит
(20,2 х 100) / 2621,0 = 0,77 %.
Концентрация углерода в металлической шихте, равная 0,77 %, близка к аналогичному показателю опытных плавок, равному 0,665 %. Несколько большая величина его объясняется более высоким количеством твёрдого чугуна в шихте сравнительных плавок -293,7 т против 225,4 т в опытной серии. Однако ввод в шихту опытных плавок брикетов синтикома повышает содержание углерода в шихте до 1,36 % и делает разницу в содержании углерода весьма существенной.
Сопоставляя представленные выше результаты, приходим к выводу о том, что применение брикетов синтикома данного состава резко увеличивает содержание углерода в шихте по сравнению с работой электропечей на одном металлическом сырье - с 0,665 до 1,36 %. Приведенные параметры показывают, какие значительные изменения вносит использование брикетов синтикома в содержание исходного количества углерода в шихте, увеличивая его в два раза.
Отмеченный выше фактор является главенствующим, отличая процесс электроплавки на металлической шихте с добавлением брикетов син-тикома от классической технологии.
Выполненный выше анализ относится ко всей массе шихты, используемой в серии опытных и сравнительных данных, в целом. Рассмотрим теперь эти данные применительно к отдельной плавке.
Для опытных плавок имеем:
- количество коксика, вносимого на одну плавку брикетами синти-
кома:
33,6 / 15 = 2,24 т/плавку, или 2240 кг/плавку;
- то же в пересчёте на углерод:
27,89 /15 = 1,859 т/плавку, или 1859,3 кг/плавку;
- количество углерода, вносимого металлической шихтой (металлолом и чугун):
17,249 / 15 = 1,1499 т/плавку, или 1150 кг/плавку;
- суммарное поступление (приход) углерода из металлошихты и брикетов синтикома:
45,14 / 15 = 3,009 т/ т шихты, или 3009,3 кг/т шихты;
Для сравнительных плавок имеем:
- количество коксика, вносимого брикетами синтикома: 0;
- количество углерода, вносимого брикетами синтикома: 0;
- количество углерода, вносимого металлической шихтой (металлолом и чугун):
20,20 /15 = 1,347 т/плавку, или 1347 кг/плавку.
Удельный расход углерода на опытных плавках составил (45,14 х 103) / 263 8,90 = 17,11 кг/т шихты; или 45,14 х 10 / 2416,51 = 18,68 кг/т полупродукта;
При учёте убыли части углерода на восстановление железа значение этих показателей будет равным
(33,94 х 103) / 263 8,9 = 12,86 кг/т шихты, или (33,94 х 103) / 2416,51 =
= 14,05 кг/т полупродукта.
На сравнительных плавках эти показатели составили соответственно
(20,20 х 103) / 2621,0 = 7,71 кг/т шихты, или (20,20 х 103)/23 91,77 =
= 8,45 кг/т полупродукта.
Отличие между этими параметрами для опытных и сравнительных плавок представляется весьма значимым, достигающими 1,66 раза.
В традиционной классической электроплавке на металлическом сырье поведение углерода складывается из двух отдельных процессов. Первый из них - окисление углерода металлической ванны с целью получения заданной концентрации углерода в металле перед выпуском полупродукта из печи. Второй - окисление углерода, вдуваемого в шлак с целью его вспенивания и экранирования электрических дуг, протекающий в жидкий период плавки после полного расплавления всей шихты и образования жидкой металлической ванны. К науглероживанию металла данный процесс не имеет отношения. При этом количество окисляемого углерода сопоставимо по величине и составляет 4...8 кг на тонну стали для каждого из этих элементов плавки.
Введение по ходу электроплавки брикетов синтикома создаёт новый дополнительный фронт окисления углерода, располагающийся непосредственно в кусках материала. Присутствие в составе брикетов одновременно углерода и окислителя в виде кислорода оксидов железа (конденсированного кислорода) создаёт в сочетании с подводом энергии необходимые и достаточные условия для их взаимодействия. Результатом этого является карботермическое восстановление железа из его оксидов, сопровождающееся образованием нового железа и выделением монооксида углерода. При этом часть углерода окисляется конденсированным кислородом оксидов железа, снижая его содержание по сравнению с необходимым. Оставшаяся в избытке большая часть углерода переходит в железо, образуя высокоуглеродистый расплав, который далее стекает вниз и поступает в металлическую ванну, дополнительно науглероживая её. Данный расплав при этом выполняет роль жидкометаллического науглероживателя, не имеющего аналогов.
Процесс карботермического восстановления протекает с момента начала плавки и ввода брикетов в электропечь и происходит одновременно и параллельно с расплавлением шихты. Образующийся расплав, имея повышенную концентрацию углерода, приобретает при этом дополнительную склонность к обезуглероживанию. Одним из доминирующих факторов, усиливающих этот эффект, является присутствие в железоуглеродистом расплаве части углерода, находящегося в виде ультрадисперсных частиц графита в свободном виде (коллоидный раствор углерода в железе). Вследствие этого создаются благоприятные условия для начала более ран-
него окисления углерода, а именно с момента начала плавления. Сдвиг обезуглероживания в начало плавки создаёт предпосылки для интенсивного кипения, перемешивания металла и шлака, улучшения шлакообразования и рафинирования, ускорения нагрева. Одним из следствий этого является тенденция получения к концу плавки весьма низкой концентрации углерода на уровне 0,02...0,04 %.
Следовательно, появление в электропечи нового фронта окисления углерода, которым являются собственно брикеты синтикома, одновременно сдвигает окисление углерода в расплаве, образующемся из синтикома и металлической шихты, в начало плавления. Это означает возникновение в электродуговой печи ещё одной области обезуглероживания, роль которой выполняет расплав, образующийся из металлошихты и восстановленного железа. Повышенная концентрация углерода в этом расплаве, обусловленная науглероживающей способностью брикетов синтикома, выполняет в этом случае роль достаточного условия. Отмеченное выше раннее начало окисления углерода является одним из преимуществ технологии электроплавки с применением синтикома.
Дополнительное и весьма существенное науглероживание металлической ванны вызывает необходимость последующего удаления избыточного углерода и соответствующего увеличения расхода окислителя. Роль процесса обезуглероживание металлической ванны при этом полностью сохраняется, однако окисление углерода при этом усиливается и приобретает более развитый характер. Достаточно сравнить случай обезуглероживания ванны с высокой и более низкой концентрацией углерода.
Из изложенного следует, что дополнительный ввод в шихту брикетов синтикома, обладающих высоким науглероживающим эффектом, кардинально меняет баланс углерода и его поведение, в том числе природу процесса обезуглероживания и его характер. Наличие в составе шихты брикетов синтикома создаёт новые области окисления углерода, располагающиеся непосредственно в кусках этого материала, а также существенно изменяет традиционный процесс обезуглероживания металлической ванны, усиливая его. Одновременно с этим достигается перенос начала окисления углерода с жидкого периода на начало плавления. Это создаёт условия для ведения плавки с непрерывным окислением углерода по ходу всего процесса, существенно ускоряющим тепломассообмен по сравнению с существующей технологией.
Отдельно рассмотрим вопрос о количестве высокоуглеродистого расплава - чугуна, который образуется из восстановленного железа и жидкого металла, получаемого в результате перехода металлической шихты из твёрдого в жидкое состояние. Из 33,6 т углерода, присутствующего в 112 т брикетов синтикома, на дополнительное науглероживание расходуется его часть, равная 16,69 т. При содержании в чугуне 4,2 % углерода или 42 кг/т
чугуна, данное выше количество углерода по науглероживающей способности эквивалентно следующему количеству чугуна: (16,69 х 10 ) /42 = =397,38 т чугуна.
Следовательно, науглероживающая способность синтикома оказывается достаточной для образования 397,38 т жидкого чугуна. Это означает возможность получения непосредственно в электродуговой печи жидкого чугуна, причём в значительных количествах - для данных условий 26,5 т на плавку, или 164,49 кг/т полупродукта.
Таким образом, работа дуговой сталеплавильной печи при вводе в её шихту синтикома позволяет благодаря его высокой науглероживающей способности переводить значительную часть расплава, образующегося из твёрдой металлошихты и в результате восстановления, в расплав чугуна. В данном случае доля жидкого чугуна на опытных плавках составила (397,3 х 100) / 2416,51 = 16,44 %. С технологической точки зрения это эквивалентно заливке в электропечь жидкого чугуна с массой, составляющей 16 % от общей массы металлошихты.
С позиций энергетики увеличение удельного расхода углерода на опытных плавках до 14,05 вместо 8,5 кг/т стали в сравнительных плавках приводит к поступлению в печь дополнительного количества тепла. На плавках с использованием 46,5 кг/т синтикома общее количество тепла от окисления углерода до СО и дожигания СО до СО2 при степени дожигания 40 % и коэффициенте усвоения тепла 55 % составляет 89 кВт*ч/т стали. Это существенно превышает аналогичный показатель на опытных плавках без применения синтикома, равный 48 кВт*ч/т.
Сквозной энергетический КПД при этом составляет 57...59 %. Данное значение существенно превышает показатели известных вариантов применения других энергоносителей, в том числе и наилучшие из них.
Отметим особо, что приведенная величина значительно превышает сквозной энергетический КПД ЭДП при работе ее на электрической энергии, равный всего 20...25 %.
Суммарная энергоемкость работы ЭДП с использованием брикетов синтикома не превышает 1490 кВт*ч/т стали. Удельные выбросы СО2 при этом составляют менее 400 кг/т металла.
Показатели, характеризующие новую технологию подтверждают, что по технологической, энергетической, экологической и экологической эффективности новый способ превосходит существующие технологии выплавки стали. Можно ожидать, что принцип максимального использования углерода в ЭДП получит широкое применение в электроплавке.
Список литературы
1. Инновационное развитие электросталеплавильного производства: монография / А.Г. Шалимов, А.Е. Семин, М.П. Галкин, К. А. Косарев. М.: Металлургиздат, 2014. 308 с.
2. Патент РФ № 2539890. Способ выплавки стали в электродуговой печи и электродуговая печь. Опубл. 27.01.2015. Бюл. № 3.
3. Шахпазов Е.Х., Дорофеев Г. А. Новые синтетические композиционные материалы и технология выплавки стали с их использованием. М.: Интерконтакт Наука, 2008. 272 с.
4. Дорофеев Г.А.. Афонин С.З., Шевелев Л.Н. Энерготехнологические особенности использования синтикома при выплавке стали в электродуговых печах. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.112 с.
Дорофеев Генрих Алексеевич, канд. техн. наук, доц., imsk@,list.ru, Россия, Тула, ООО «НПМП Интермет-Сервис»
Янтовский Павел Рудольфович, генеральный директор, sintikom@,mail.ru, Россия, Тула, ГК «Ферро-Технолоджи»
Степанов Ярослав Михайлович, генеральный директор, sintikom@,mail.ru, Россия, Тула, ООО «НПП «Инновационные технологии и материалы»
ANALYSIS OF THE BEHA VIOR OF CARBON IN THE PROCESS OF ELECTRIC
SMELTING WITH THE USE OF HIGH-CARBON BRIQUETTES SINTICOM
G.A. Dorofeev, P.R Yantovskiy, Y.M. Stepanov
It is shown that the use of electric furnaces the briquettes synticom based on Fe-O-C is making fundamental changes in the main reaction of steelmaking, the oxidation of carbon, as well as the possibility of obtaining high-carbon briquettes in a furnace synticom highly effective naegleriasis in the form of iron-carbon melt is a new type.
Key words: carbon, electrofusion, briquettes, sindicom, naplanovane, carbothermic reduction.
Dorofeev Genrikh Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, imsk@,list.ru, Russia, Tula, LLC «NPMP Intermet-Service»
Yantovskiy Pavel Rudolfovich, general director, sintikom@,mail. ru, Russia, Tula, Ferro-Technology Group,
Stepanov Yaroslav Mihajlovich, general director, sintikom@,mail. ru, Russia, Tula, Production Enterprise «Innovative technologies and materials» LLC
